KR102124940B1 - 유도 결합 플라즈마 처리 장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 유도 결합 플라즈마 처리 장치는 챔버, 상기 챔버 외부의 유전체 창 외측에 구비되는 소스 코일, 상기 소스 코일에 연결되어 상기 소스 코일에서의 전류값을 감지하는 변류기, 상기 변류기에서 감지하는 전류값을 수신하여 처리하는 신호 처리부, 상기 신호 처리부로부터 전달받은 데이터를 이용하여 상기 챔버 내부의 공정 이상을 판단하는 제어부를 구비하는 것으로, 이러한 본 발명에 따른 유도 결합 플라즈마 처리 장치 및 그 제어방법은 공정 진행 중 소스 코일에서의 전류값 변화를 모니터링 하여 공정 이상을 감지하도록 함으로써 이후 장비의 메인티너스를 보다 효율적이고 안정적으로 진행할 수 있도록 하고, 메인티넌스 수행시에는 이상 발생시 획득한 데이터를 참조하여 특정 위치의 하드웨어에 대한 중점적인 유지 보수 작업이 가능하도록 하는 효과가 있다.

Description

유도 결합 플라즈마 처리 장치 및 그 제어방법{INDUCTIVELY COUPLED PLASMA PROCESSING APPARATUS AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 유도 결합 플라즈마 처리 장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전류 헌팅에 따른 동작 오류를 방지하는 유도 결합 플라즈마 처리 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
유도 결합 플라즈마 처리 장치는 반도체 및 디스플레이 제조 공정 중에서 에칭 공정 또는 증착 공정에 사용되는 장치이다. 에칭 공정에 사용되는 유도 결합 플라즈마 처리장치는 반응성 이온 에칭 장치 또는 축전 결합형 플라즈마 에칭 장치에 비하여 금속에 대한 식각 효율이 상대적으로 뛰어나다.
그러나 유도 결합 플라즈마 처리장치는 대면적의 기판에 대한 에칭에는 사용상의 어려움이 있다. 통상적으로 안테나가 유도 결합 플라즈마 처리장치의 진공 챔버 상부에 설치된다. 대면적의 기판에 대한 효과적인 에칭이 가능하기 위해서는 안테나의 배치와 임피던스 제어가 매우 중요하다. 그러나 아무리 효과적으로 안테나를 배치하더라도 복잡하고 길이가 긴 안테나의 구조로 인하여 임피던스 제어가 효과적으로 이루어지기 어렵다.
한국공개특허번호 제 10-2010-0053253 호, "유도결합 플라즈마 안테나"
본 발명의 목적은 다수의 영역으로 구분된 위치에 복수개의 소스 코일과 해당 소스 코일에 대한 커패시터 값을 자동 제어하는 가변 커패시터를 사용할 때 각각의 소스 코일 상호간의 간섭으로 발생하는 전류 헌팅에 대한 불안정한 커패시터 셋팅을 최소화하도록 하는 유도 결합 플라즈마 처리장치 및 그 제어방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 유도 결합 플라즈마 처리장치는 챔버, 상기 챔버 외부의 유전체 창 외측에 구비되는 소스 코일, 상기 소스 코일에 연결되어 임피던스 제어를 위하여 동작하는 가변 커패시터 구동부, 상기 소스 코일에 연결되어 상기 소스 코일에서의 전류값을 감지하는 변류기, 상기 변류기에서 감지하는 전류값을 수신하여 처리하는 신호 처리부, 상기 신호 처리부로부터 전달받은 데이터를 이용하여 상기 가변 커패시터 구동부의 동작을 제어하는 제어부를 구비한다.
상기 소스 코일은 RF 전원으로부터 연장되어 각각의 상기 영역으로 복수개로 분기되어 연장되고, 상기 변류기는 상기 영역별로 분기된 각각의 상기 소스 코일에 연결되어 각각의 상기 영역에 위치하는 상기 소스 코일에서의 전류값의 변화를 감지할 수 있다.
상기 가변 커패시터 구동부는 가변 커패시터와 상기 가변 커패시터를 자동으로 회전시키는 모터와 상기 모터의 회전을 감지하는 외부 엔코더를 구비할 수 있다.
상기 제어부는 상기 변류기에서 감지한 전류 헌팅이 설정값 이상일 때 상기 RF 전원을 차단할 수 있다.
상기 제어부는 상기 RF 전원이 차단되면 커패시터 값을 재설정할 수 있다.
상기 제어부는 상기 변류기에서 감지한 전류 헌팅이 설정값 이하이고, 설정 시간 이상 지속되면 상기 모터의 동작을 정지시킬 수 있다.
본 발명에 따른 유도 결합 플라즈마 처리장치의 제어방법은 각각의 소스 코일에 설치된 가변 커패시터의 구동을 셋팅하고, 상기 가변 커패시터에서의 전류 헌팅의 변류기를 이용하여 감지하고, 상기 전류 헌팅이 설정값 이하이고, 설정시간 이상이면 상기 가변 커패시터를 구동하는 모터의 동작을 정지시켜 상기 가변 커패시터의 셋팅을 완료한다.
상기 소스 코일은 RF 전원으로부터 연장되어 각각의 상기 영역으로 복수개로 분기되어 연장되고, 상기 변류기는 상기 영역별로 분기된 각각의 상기 소스 코일에 연결되어 각각의 상기 영역에 위치하는 상기 소스 코일에서의 전류값의 변화를 감지할 수 있다.
상기 변류기에서 감지한 상기 전류 헌팅이 설정값 이상일 때 상기 RF 전원을 차단할 수 있다.
상기 RF 전원이 차단되면 커패시터 값을 재설정할 수 있다.
본 발명에 따른 유도 결합 플라즈마 처리 장치 및 그 제어방법은 공정 수행을 위하여 커패시터 값을 셋팅할 때 발생하는 전류 헌팅에 의한 불안정한 커패시터 값 셋팅을 최소화하여 공정 셋팅 효율을 향상시키고, 과도한 전류 헌팅에 의한 공정 상의 문제를 방지하도록 하여 공정 진행 효율을 향상시키도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 처리장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 처리장치의 소스 코일의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 처리장치의 소스 코일이 챔버의 상부 리드에 설치된 상태를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 처리장치의 가변 커패시터 구동부를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 처리장치의 제어방법을 도시한 순서도이다.
이하에서는 본 발명에 따른 유도 결합 플라즈마 처리장치에 대한 실시예를 도면을 참조하여 설명하도록 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 처리장치를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 유도 결합 플라즈마 처리장치는 게이트(14)를 구비하며 공정 공간 내부가 진공 펌핑되도록 배기홀(11)이 형성된 챔버(10)를 구비한다. 챔버(10) 내부에는 기판(웨이퍼 또는 다양한 크기의 투명 기판)이 안착되는 스테이지(12)가 구비된다. 스테이지(12)의 상부에는 기판을 척킹하기 위한 정전척(13)이 설치된다.
챔버(10)의 상부에는 유전체 창(15)이 설치된다. 유전체 창(15)의 상부에는 RF 안테나인 소스 코일(20)이 설치된다. 소스 코일(20)은 별도의 공간으로 구획된 소스 코일 설치부(16)에 설치된다. 그리고 소스 코일 설치부(16) 상부에는 도 2에 도시된 RF 전원(30)과 매칭박스(31) 등과 같은 전기 제어장치가 마련된 전장부(17)가 구비된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 처리장치의 소스 코일(20)의 구성을 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이 소스 코일(20)들은 RF 전원(30)과 매칭박스(31)를 거쳐서 연장된 하나의 안테나를 거친 후 이 안테나에서 다수개로 분기된다. 본 실시예에서는 모두 9개의 소스 코일(20)로 분기된 것을 실시예로 설명하지만 이는 제한이 아니다.
각각의 소스 코일(20)에는 해당 소스 코일(20)에서의 전류 변화를 감지하는 변류기(35; Current Transducer)가 연결된다. 그리고 이 각각의 변류기(35)로부터 감지되는 전류값을 전달받는 신호 처리부(32)가 네트워크상에 연결된다. 신호 처리부(32)는 각각의 변류기(35)로부터 전류값을 수신하여 아날로그 또는 디지털 신호로 변환한다. 그리고 신호 처리부(32)에서 변환된 신호를 수신하는 제어부(33)가 구비된다.
이때 신호 처리부(32)에서 제어부(33)로 전송되는 신호에는 해당 소스 코일(20)에 대한 식별을 위한 식별자가 포함될 수 있다. 그리고 전류값을 수신한 제어부(33)는 전류값 변화의 이상 유무를 판단한다.
또한, 제어부(33)에서 판단된 전류값 이상을 외부로 출력하고, 필요한 경우 장치의 구동과 관련된 다양한 조작 명령을 입력하기 위한 입출력부(34)가 구비된다. 출력부는 외부로 이상 경보를 알리기 위한 경보 기능을 포함할 수 있고, 또는 이상 유무를 별도로 표시하는 디스플레이 장치일 수 있다. 그리고 입력부는 터치 패드 및 키보드 등 다양한 입력수단이 사용될 수 있다.
소스 코일(20)의 변류기(35) 연결 부분 이전에는 가변 커패시터 구동부(100)가 설치되고, 변류기(35)를 지난 소스 코일(20)은 다시 복수개의 하위 소스 코일(21)(22)(23)(24)로 분기된다. 이 가변 커패시터 구동부(100)의 동작을 위한 신호는 입출력부(34)를 통하여 제어부(33)로부터 각각의 가변 커패시터 구동부(100)에 제공된다.
이와 같은 가변 커패시터 구동부(100)와 변류기(35)들은 제어부(33)와 디바이스넷(Devicenet)으로 네트워크상에서 연결되어 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 처리장치의 소스 코일이 챔버의 상부 리드에 설치된 상태를 도시한 사시도이다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 유도 결합 플라즈마 처리장치의 소스 코일 설치부(16)는 각각에 소스 코일(20)이 설치된 9개의 분할된 영역(A1 ~ A9)을 형성한다. 그리고 각각의 영역(A1 ~ A9)에 구비되는 소스 코일(20)은 4개의 하위 소스 코일(21)(22)(23)(24)로 분기된다. 이 각각의 하위 소스 코일(21)(22)(23)(24)은 해당 영역에서 동일한 방향으로 권취되어 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 처리장치의 가변 커패시터 제어 장치를 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이 가변 커패시터 구동부(100)는 모터(110)와 모터(110)에서 연장된 회전축에 설치된 외부 엔코더(120)와 외부 엔코더(120)를 거쳐서 연장된 절연 플랜지(130)와 절연 플랜지(130)에서 연장되어 구동축이 절연 플렌지(130)와 연결된 가변 커패시터(VVC: Vacuum Variable Capacitor)(140)와 가변 커패시터(140)의 단부에 설치된 냉각 유닛(150)을 포함한다.
모터(110)는 스탭 모터(110)로 구비되고, 외부 엔코더(120)는 총 50개의 감지홀(121a)이 7.2도 마다 원주를 따라 형성된 원형판(121)과 이 원형판(121)의 원형홀(121a)을 감지하도록 원형판(121)의 외주 상부와 하부에 각각 발광부와 수광부가 위치하도록 된 감지센서(122)를 포함한다. 그리고 가변 커패시터(140)에는 Z-스캔 센서(미도시)가 함께 구비된다.
가변 커패시터 구동부(100)는 가변 커패시터(140)를 개별적으로 제어하여 플라즈마 균일도를 유지하기 위한 임피던스 제어를 위해 동작한다. 따라서 각각의 가변 커패시터(140)는 개별적으로 그리고 상호간의 관련 동작이 효과적으로 이루어지도록 제어된다.
이하에서는 전술한 바와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 처리장치의 제어방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시예에서의 유도 결합 플라즈마 처리장치의 제어방법은 최초 공정 진행 전에 각각의 소스 코일(20)에 대한 커패시터 셋팅을 위하여 실시된다. 본 실시예에서 커패시터 제어를 위한 구동을 위하여 가변 커패시터 구동부(100)의 모터(110)는 PID(Proportional-plus-Integrate-plus-Derivative) 제어기를 이용하여 제어한다. PID 제어기는 모터(110)의 제어장치에 일체로 구비될 수 있으므로 별도로 도시 하지 않았다.
이 PID 제어기는 비례-적분-미분 제어를 하는 자동 제어기이다. PID 제어는 목표값에 가깝게 모터(110)의 동작을 제어할 수 있고, 외란에 대하여 기민하게 반응하여 적극적으로 신속히 목표값이 되도록 모터(110)를 제어한다. 그런데 외부 요인에 의하여 변화가 발생하여 목표값에 대한 추정 과정에서 외란(Disturbance)이 발생하는 경우 반복적으로 모터(110)를 동작시킬 수 있다. 이러한 문제는 본 발명의 실시예에서와 같이 다수의 소스 코일(20)들이 서로 인접하여 위치시키고, 이 각각의 소스 코일(20)에 설치된 가변 커패시터(140)를 동시에 셋팅할 때 인접한 다른 소스 코일(20)에서 발생하는 전자기장에 의한 전류 변화로 인하여 발생할 수 있다.
즉 소스 코일(20) 상호간의 간섭으로 변류기(35)에서 전류 헌팅이 발생할 수 있고, 이 전류 헌팅은 PID 제어기에서의 외란으로 작용할 수 있다. 이러한 전류 헌팅이 발생하게 되면 PID 제어기는 목표값으로 가변 커패시터(140)를 맞추기 위하여 모터(110)를 반복적으로 계속 동작시키게 되고, 이러한 모터(110)의 반복적인 동작으로 해당 소스 코일(20) 주변의 다른 소스 코일(20)들에 또 다른 전류 헌팅을 유발시키는 요인이 될 수 있다. 이러한 이유로 임피던스 셋팅 오류를 발생시킬 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예에서는 이러한 불필요한 전류 헌팅을 최소화하도록 하는 방법을 제공한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 처리장치의 제어방법을 도시한 순서도이다.
도 5에 도시된 바와 같이 공정 진행 전에 임피던스 셋팅을 시작한다. 임피던스 셋팅을 위하여 소스 코일(20)로 RF 전원(30)으로부터 파워를 인가한다(S100). 그리고 설정된 값으로 각각의 소스 코일(20)에 대한 임피던스 셋팅을 위하여 모터(110)를 동작시켜 가변 커패시터(140)들이 셋팅값으로 셋팅 되도록 한다(S110).
그리고 셋팅 명령이 각각의 모터(110)에 인가된 후 각각의 소스 코일(20)에 대한 전류 헌팅을 각각의 소스 코일(20)에 설치된 변류기(35)를 통하여 감지한다(S120). 이때 전류 헌팅이 발생하는지를 감지하고, 또한 전류 헌팅으로 인하여 모터(110)가 반복적으로 또는 연속적으로 동작하는지를 감지한다. 전류 헌팅이 발생하지 않는다고 판단되면 해당 소스 코일(20)에 설치된 가변 커패시터 구동부(100)의 모터(110)를 정지시키고(S130), 또한 해당 가변 커패시터(140)의 셋팅을 완료시킨다(S140).
반면에 전류 헌팅이 감지된다고 판단되면 헌팅 전류가 설정값 이상인지를 판단한다(S121). 헌팅 전류가 설정값 이상인 경우 과도한 모터(110) 동작을 유발시킬 수 있다. 매우 큰 헌팅 전류는 초기 커패시터 셋팅값 자체에 이상이 있다고 추정될 수 있다. 따라서 헌팅 전류가 설정값 이상으로 과도하게 높으면 RF전원(30)을 차단하고(S123), 커패시터 값을 재설정하는 것이 필요하다(S134).
그리고 헌팅 전류가 설정값 이상이 아니라고 판단되면 다음으로 설정시간 이상으로 헌팅 전류가 발생하는지를 판단한다(S122). 이때 미리 설정된 시간에 도달하지 않았다고 판단되면 반복적으로 헌팅 전류가 설정값 이상인지를 판단한다. 그리고 설정시간에 도달하게 되면 더 이상의 헌팅 전류에 대한 감지를 종료하고, 해당 가변 커패시터 구동부(100)의 모터(110)를 강제로 정지시킨다(S130).
이 단계에서 모터(110)는 PID 제어기에 의하여 목표값에 상당히 수렴한 상태가 되고, 또한 헌팅 전류는 미세하게 발생하므로 불필요하게 헌팅 전류에 의한 모터(110)의 동작을 지속시킬 필요가 없다. 따라서 이와 같이 강제로 모터(110)를 정지시켜 목표값에 최대한 수렴한 상태로 커패시터 셋팅 동작을 종료시킨다(S140).
이와 같이 모든 소스 코일(20)들에 대한 가변 커패시터 구동부(100)의 모터(110)들이 동작을 멈추게 되면 커패시터 셋팅이 완료되었다고 판단하고, 이후 실제 공정 진행을 시작한다(S150).
공정의 진행은 챔버(10) 내부로 기판을 반입하여 정전척(13) 상에 안착시킨다. 그리고 챔버(10) 내부로 공정 가스가 공급되고, 또한 배기 장치를 이용하여 챔버(10) 내부는 설정된 압력으로 유지한다. 이후 RF 전원(30)이 온되어 플라즈마 생성용 RF가 RF 전원(30)으로부터 출력되어 각각의 소스 코일(20)과 하위 소스 코일(21)(22)(23)(24)에 급전된다. 이에 따라 소스 코일(20)과 하위 소스 코일(21)(22)(23)(24)에서의 자력선이 유전체 창(15)을 관통하여 챔버(10) 내부의 처리 공간을 횡단하여 유도 전계를 발생시킨다.
이 유도 전계에 의하여 공정 가스는 분자 또는 원자로 해리되며 충돌을 일으켜 플라즈마를 생성한다. 이 플라즈마는 라디칼 또는 이온으로 공정 공간 내부에서 넓은 처리 공간으로 확산된다. 이때 라디칼은 등방적으로 기판에 입사되고, 이온은 직류 바이어스에 의하여 기판으로 진행하여 기판에 대한 에칭과 같은 처리를 수행한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
20...소스 코일
32...신호 처리부
33...제어부
34...입출력부
35...변류기
100...가변 커패시터 구동부
110...모터
140...가변 커패시터

Claims (10)

  1. 챔버;
    상기 챔버 외부의 유전체 창 외측에 구비되는 소스 코일;
    상기 소스 코일에 연결되어 임피던스 제어를 위하여 동작하는 가변 커패시터 구동부;
    상기 소스 코일에 연결되어 상기 챔버 내에 기판이 반입되기 전의 상기 소스 코일에서의 전류값을 감지하는 변류기;
    상기 변류기에서 감지하는 전류값을 수신하여 처리하는 신호 처리부;
    상기 신호 처리부로부터 전달받은 데이터를 이용하여 상기 가변 커패시터 구동부의 동작을 제어하는 제어부를 구비하는 유도 결합 플라즈마 처리장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 소스 코일은 RF 전원으로부터 연장되어 각각의 영역으로 복수개로 분기되어 연장되고, 상기 변류기는 상기 영역별로 분기된 각각의 상기 소스 코일에 연결되어 각각의 상기 영역에 위치하는 상기 소스 코일에서의 전류값의 변화를 감지하는 유도 결합 플라즈마 처리장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 가변 커패시터 구동부는 가변 커패시터와 상기 가변 커패시터를 자동으로 회전시키는 모터와 상기 모터의 회전을 감지하는 외부 엔코더를 구비하는 유도 결합 플라즈마 처리장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 제어부는 상기 변류기에서 감지한 전류 헌팅이 설정값 이상일 때 상기 RF 전원을 차단하는 유도 결합 플라즈마 처리장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 제어부는 상기 RF 전원이 차단되면 커패시터 값을 재 설정하는 유도 결합 플라즈마 처리장치.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 제어부는 상기 변류기에서 감지한 전류 헌팅이 설정값 이하이고, 설정 시간 이상 지속되면 상기 모터의 동작을 정지시키는 유도 결합 플라즈마 처리장치.
  7. 각각의 소스 코일에 설치된 가변 커패시터의 구동을 셋팅하고,
    챔버 내에 기판이 반입되기 전의 상기 소스 코일의 전류 헌팅을 변류기를 이용하여 감지하고,
    상기 전류 헌팅이 설정값 이하이고, 설정시간 이상이면 상기 가변 커패시터를 구동하는 모터의 동작을 정지시켜 상기 가변 커패시터의 셋팅을 완료하는 유도 결합 플라즈마 처리장치의 제어방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 소스 코일은 RF 전원으로부터 연장되어 각각의 영역으로 복수개로 분기되어 연장되고, 상기 변류기는 상기 영역별로 분기된 각각의 상기 소스 코일에 연결되어 각각의 상기 영역에 위치하는 상기 소스 코일에서의 전류값의 변화를 감지하는 유도 결합 플라즈마 처리장치의 제어방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 변류기에서 감지한 상기 전류 헌팅이 설정값 이상일 때 상기 RF 전원을 차단하는 유도 결합 플라즈마 처리장치의 제어방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 RF 전원이 차단되면 커패시터 값을 재설정하는 유도 결합 플라즈마 처리장치의 제어방법.
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